宇宙中最黑暗的秘密

杨先碧

宇宙中最黑暗的地方是哪里？我们几乎可以脱口而出：黑洞！作为宇宙最神秘的天体，黑洞因难以探测而一度被人认为是仅仅存在于科幻小说中的天体。然而，越来越多的科学探索证实了黑洞的确存在。

2020年，诺贝尔物理学奖首次颁发给了研究黑洞的科学家，他们分别是英国数学家罗杰·彭罗斯、德国天体物理学家赖因哈德·根策尔和美国天体物理学家安德烈亚·盖兹。

看不见的天体

1915年11月25日，德国物理学家爱因斯坦向外界介绍了自己创立的广义相对论，指出万有引力的本质就是时空弯曲。

不到一个月后，德国物理学家施瓦西根据这个理论发现，如果一个天体质量特别大而半径又特别小，强烈的时空弯曲所形成的“凹坑”会将其隐藏起来。他由此进一步推导出天体的视界半径。所谓视界半径，就是看得见的半径。后来科学界称之为施瓦西半径，它等于万有引力常数乘以2倍天体质量，再除以光速的平方。如果一个天体的真实半径大于施瓦西半径，它就能被我们看到;反之，它就会消失于我们的视野之外。

宇宙中真的有看不见的天体吗？一些恒星在燃料消耗逐渐减少的过程中，会不断坍缩，真实半径逐渐减小。如果其坍缩到真实半径比施瓦西半径还小时，我们就看不到这颗星星了。虽然这颗星星“隐身”了，但是它还是真实存在的。1962年，美国天文学家罗伯特·狄克将这种消失于人们视野外的天体称为黑洞。

我们举个例子来理解一下。太阳的真实半径约为69.6万千米，而其施瓦西半径只有3千米，所以我们现在能看到太阳。数亿年后，太阳也会耗尽自己的燃料，逐渐坍缩到半径小于3千米，此时它就变成了一个黑洞。再比如，地球的半径为6371千米，假如有一种力量能将地球不断压缩（实际上不会有这种情况），那么地球半径要缩小为“可怜”的9毫米，它才会成为黑洞。

证明黑洞的坍缩

虽然施瓦西在1915年就预言了黑洞的存在，但是，之后20多年来都有一个问题难以解决，那就是天体真的会坍缩成黑洞吗？1939年，美国物理学家罗伯特·奥本海默等人证明了这个问题，不过证明的前提是天体是个高度对称的完美球体。

然而，宇宙中事实上并不存在这样的“完美天体”。那么，真正的天体会坍缩成黑洞吗？1964年，数学家彭罗斯利用拓扑学巧妙完成了最終的证明。彭罗斯上大学时学的是数学，但是他特别喜欢天文学，尤其喜欢研究天体物理学中的一些难题。

彭罗斯不但完成了天体可坍缩成黑洞的证明，还提出黑洞内部的物质会在强大引力作用下塌陷成一个密度无穷大的点，即天体物理学中的神秘“奇点”。1970年，彭罗斯还和英国物理学家霍金一起提出了奇点定理。这个定理给出了奇点和黑洞在宇宙中存在的条件，这就给天文学家搜索黑洞指明了方向，他们可以据此寻找宇宙中这些最黑暗的天体。

银河系中的超大黑洞

尽管理论上可以预言黑洞的存在，但是黑洞几乎不发射电磁波，难以被天文望远镜直接观测到，因此有很长一段时间，不少科学家仍然不相信宇宙中有黑洞。根策尔和盖兹在银河系中发现了一个黑洞，而且是一个超大质量黑洞，让人振奋。

在发现这一黑洞之前，一些科学家根据计算预测银河系中心可能有一个超大质量黑洞，位于射电源人马座A*，距离地球2.5万光年。科学家还提出，室女座方向M87星系核心（M87*）也可能有超大质量黑洞。

根策尔年轻时是德国最好的标枪运动员之一，曾经备战1972年慕尼黑奥运会，后来他的兴趣转向了天文学研究。根策尔根据天文观测结果发现，围绕银河系中心运动的气体云的速度实在太快了，只有那里存在一个看不见的超大质量天体，才能产生巨大的引力让那些气体云留在现有的轨道上。

而盖兹对射电源人马座A*中的一颗名为S2的恒星特别关注。她通过分析S2的可变光谱，计算出这颗恒星的速度变化，结果发现了梦寐以求的引力红移现象，而这种现象正好能证明S2所在区域有一个超大质量黑洞。

根策尔使用的是位于智利的新技术望远镜和甚大望远镜，盖兹使用的是位于夏威夷的凯克望远镜。两人领导的研究小组都得到了非常一致的结论，确定了人马座A*中心一个超大质量黑洞。他们还计算出这个黑洞的质量是太阳的414万倍。

黑洞研究的意义

相对于诺贝尔生理学或医学奖以及化学奖来说，物理学奖的获奖成果大多离人们的生产和生活较远。每年奖项公布之后，不少人总会嘀咕：这项成果究竟有啥用呢？

首先，所有的天文学研究都可以满足人们的好奇心，让人们了解自己身处的宇宙究竟是什么样子，其中隐藏着多少秘密。在这些秘密当中，黑洞是一个大秘密，我们得依赖于现代科技手段才能揭开它神秘的面纱。

比如，人们曾经以为黑洞是个只进不出的貔貅类“大胃王”，后来，霍金等人又发现，黑洞其实也会“打嗝”，时不时向外喷射能量和物质。这被人们称为“霍金辐射”。虽然人马座A*中心是一个超大质量黑洞，但是人马座A*本身是一个十分明亮的射电源，这是因为那个超大质量的黑洞会释放出海量能量，这些能量可以形成明亮的类星体。

又比如，人们曾经以为质量很大的天体才会形成黑洞，后来科学家推算出只有一个原子大小的超级小黑洞，那是宇宙形成初期时的原初黑洞，不过它们存在的时间非常短，今天已经看不到了。

其次，黑洞研究在未来会有一些很实际的用途。

比如，黑洞研究可为未来的太空航行打下坚实的基础。毋庸置疑，就如同科幻小说描绘的那样，在星际航行中遭遇黑洞是很可怕的事情。未来星际航行时将会出版太空参考地图，人们能够主动避开地图中所标注的黑洞区域。

一些科学家认为，黑洞中蕴藏着难以想象的物质和能量，总有一天人类可以用人造黑洞作飞船动力或发电。美国科学家路易斯·克兰就是持这一观点者，他坚信，人造黑洞散发出来的“霍金辐射”将会成为星际飞船唯一的可选动力。

虽然这些设想看上去科幻味十足，但是我们相信会有那么一天，人们可以利用黑洞做很多事情。当然，我们不希望把黑洞用来做武器。

获奖者简介

罗杰·彭罗斯：英国数学家，1931年生于英国科尔切斯特，1957年获得剑桥大学博士学位，1966年起任伦敦大学应用数学教授，1973年至今任牛津大学数学教授。

赖因哈德·根策尔：德国天体物理学家，1952年生于德国法兰克福，1978年获得波恩大学博士学位，现任慕尼黑马克斯-普朗克太空物理学研究所所长。

安德烈亚·盖兹：美国天体物理学家，1965年生于美国纽约，1992年获得加州理工学院博士学位，现任加州大学洛杉矶分校教授。